DIE ELEMENTE VON LEBEN

Aus was besteht ihr? Überraschend, das meiste von eurem Körper ist aus . . . Wasser. Das ist, weil die meiste von den Zellen in Lebensformen Wasser enthalten. Das andere Hauptelement, das sich in Lebensformgewebe befindet, ist Kohlenstoff. Wasser besteht aus den Elementen Sauerstoff und Wasserstoff. Mit anderen Worten, fast alles eures Körpers ist aus Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff.

Es gibt etwa 100 Elemente, die natürlich vorkommen, einschließlich Calcium und Phosphor, die wir in Knochen und Zähnen finden, aber das meiste vom Universum besteht aus Wasserstoff, aus dem die Sterne bestehen. Der Reihe nach bestehen aus subatomaren Teilchen die Atome aller Elemente. Diese sind Protonen, Neutronen und Elektronen. So können wir sagen, dass alles das im Universum existiert – ihr einbezogen – aus diesen drei Teilchen besteht.

Wasserstoff ist das einfachste Element. Ein Wasserstoffatom besteht aus einem einzigen Proton – seinem Kern – und einem einzigen Elektron, das den Kern umkreist. Das Proton ist elektrisch positiv geladen und das Elektron negativ, so dass die Lasten sich ausgleichen.

In den Atomen der anderen Elemente enhält der Kern Protonen und Neutronen (die letzteren haben keine elektrische Last) und ist von einer Wolke von umkreisenden Elektronen umgeben. Die Nummer von Elecktronen kommt immer der Nummer von Protonen gleich, so dass das Atom elektrisch neutral ist. Die Elektronen kreisen in verschiedenen Energiestufen um (seit den Anhang).

In einem Kohlenstoffatom gibt es sechs Protonen und sechs oder sieben oder acht Neutronen im Kern und sechs umkreisende Elektronen, zwei in der ersten Energiestufe und vier in der zweiten. In einem Sauerstoffatom gibt es acht jedes Teilchens.

Wenn sich Atome verbinden, wechseln sie ihre Elektronkonfiguration, um Moleküle zu formen. Ein Wasserstoffmolekül ist nur zwei Wasserstoffatome durch ihre Elektronen zusammen verbunden. Ein Wassermolekül ist aus einem Sauerstoffatom mit zwei Wasserstoffatomen verbunden.

Manchmal sind die Atome mit Elektronenteilen verbunden, wie in dem Wasserstoffmolekül und Wassermolekül oben beschrieben. Wie wir schon wissen, hat das Kohlenstoffatom sechs Elektronen, dessen vier erhältlich sind, um chemische Bänder zu formen. Manchmal spenden einige Atome ihre Elektronen für andere Atome, was bedeudet, dass einigen Atomen ein Elektron fehlt und sie daher positiv geladen sind, und einige ein zusätzliches Elektron haben und daher negativ geladen sind. In diesen Molekülen werden die Atome von electrischer Anziehungskraft zusammen gehalten. In Häufigsalz, zum Beispiel, spendet jedes Natriumatom ein Elektron für ein Chloratom, das zu Natriumchlorid führt (seit den Anhang).

Viele Substanzen, die ihr kennt, sind aus Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff. Methan (Erdgas) ist ein zentraler Kohlenstoff mit vier Wasserstoffen verbunden. Kohlendioxyd, das hervorgebracht wird, wenn jeder fossile Brennstoff verbrannt wird, ist ein Kohlenstoff mit zwei Sauerstoffen verbunden.

Machen wir ein Molekül, mit einem Kohlenstoffatom anfangen! Verbinden wir es mit einem anderen Kohlenstoff. An das erste Kohlenstoff werden wir drei Wasserstoffe heften. An das zweite werden wir zwei Wasserstoffe und einen Sauerstoff heften. An das Sauerstoff werden wir noch einen Wasserstoff heften. Was haben wir gemacht? Die Antwort: Ethylalkohol (oder Ethanol) – die berauschende Zutat, die sich in allen alkoholischen Getränken befindet:

Wovon kamen die Namen dieser Elemente? 'Kohle' bedeutet selbstverständlich 'coal' auf Englisch. Kohle besteht hauptsächlich aus Kohlenstoff, mit verschiedenen Unreinheiten gemischt. Das englische Wort 'carbon' leitet von dem Latein 'carbo' ab, das noch einmal 'Kohle' bedeutet.

Die Ableitung von 'Wasserstoff' ist offensichtlich, denn es produziert Wasser während Verbrennung. Ähnlich leitet das englische Wort 'hydrogen' von Griechisch ab: 'Wasserproduzent'.

Und Sauerstoff? Noch einmal gibt es eine Verbindung mit Englisch (via Griechisch): 'oxygen' bedeutet 'Säuerlichkeitproduzent'. Ein alltägliches Beispiel: wenn wir das Ethanolmolekül nehmen, das in Wein ist, und an es mit atmosphärischem Sauerstoff greifen, produzieren wir Essigsäure, die Zutat, die Säuerlichkeit zu Essig verleiht.

Kohlenstoff ist einmalig unter den Elementen. Warum? Ein Grund ist, dass er in einer Form (Diamant) die härtste bekannte natürlich vorkommende Substanz ist. In Diamant sind die Kohnlenstoffatome in einer Gitterstruktur angeordnet, mit der selben vierflächigen Geometrie wie das Methanmolekül. Trotz seiner Härte, wird Diamant in Luft brennen, wenn er zu 900 Grad C erhitzt wird, das zu Kohlendioxyd führt.

Der andere Grund für die Einmaligheit des Kohlenstoffs ist dass er das einzige Element ist, das lange Ketten formen kann. In Alkohol gibt es zwei Kohlenstoffe zusammen verbunden, wie hier dargestellt. In Benzol, das ein Bestandteil von Benzin ist, gibt es sechs Kohlenstoffe in einem Kreis verbunden. Die Fähigkeit Ketten zu formen, ist höchst wichtig. Die meisten der kohlenstoffbasierten Moleküle in eurem Körper sind aus Ketten oder Kreisen von Kohlenstoffatomen geformt, mit anderen Atomen angeheftet. Einige dieser Moleküle enthalten Hunderte oder sogar Tausende von Atomen. Mit anderen Worten, ohne Kohlenstoffketten würde es kein Leben geben, und ihr würdet nicht existieren.

THE ELEMENTS OF LIFE

What are you made of? Surprisingly, most of your body is made of . . . water. That's because most of the cells in life forms contain water. The other main element to be found in life form tissue is carbon. Water is made from the elements hydrogen and oxygen. In other words, nearly all of your body is made of hydrogen, oxygen and carbon.

There are about 100 naturally occurring elements, including calcium and phosphorous, which we find in bones and teeth. But - apart from the mysterious 'dark matter' - most of the universe consists of hydrogen, which is what stars are made of. The atoms of all the elements are in turn made up of subatomic particles. These are protons, neutrons and electrons. So, we can say that everything observable that exists in the universe – including you – is made of these three particles.

Hydrogen is the simplest element. An atom of hydrogen consists of a single proton – its nucleus – and a single electron orbitting it. The proton is positively charged electrically and the electron is negatively charged, so the charges balance each other out.

In the atoms of other elements, the nucleus contains protons and neutrons (the latter have no electrical charge) and is surrounded by an orbitting cloud of electrons. The number of electrons always matches the number of protons, so the atom is electrically neutral. The electrons orbit in different energy levels (see the Appendix).

In a carbon atom, there are six protons and six neutrons in the nucleus and six orbitting electrons, two in the first energy level and four in the second. A few carbon atoms have seven or eight neutrons. In an oxygen atoms there are eight of each particle.

When atoms combine to make molecules they change their electron configurations to form chemical bonds. A molecule of hydrogen is simply two atoms of hydrogen bonded together by their electrons. A molecule of water is made up of an atom of oxygen bonded to two atoms of hydrogen.

As we already know, the carbon atom has six electrons, of which four are available to form chemical bonds. Sometimes the atoms are linked by sharing their electrons, as in the hydrogen and water molecules described above. Sometimes some of the atoms donate their electrons to other atoms, which means that some atoms are short of an electron and are therefore positively charged and some have an extra electron and are therefore negatively charged. In these molecules the atoms are held together by electrical attraction. In common salt, for example, the sodium atoms donate an electron each to the chlorine atoms, making sodium chloride (see the Appendix).

Many substances you know about are made of hydrogen, oxygen and carbon. Methane, or natural gas, is a central carbon linked to four hydrogens. Carbon dioxide, which is produced when any fossil fuel (coal, oil or gas) is burnt, is a carbon linked to two oxygens.

Let's make a molecule starting with a carbon atom. Let's link it to another carbon. To the first carbon we'll also attach three hydrogens. To the second we'll attach two hydrogens and an oxygen. To the oxygen we'll attach another hydrogen. What have we made? Answer: ethyl alcohol (ethanol) – the intoxicating ingredient to be found in all alcoholic drinks.

Where did the names of these elements come from? 'Carbon' derives from the Latin word 'carbo', meaning 'coal'. Coal is mainly carbon, mixed with various impurities.

The derivation of 'hydrogen' is obvious, because it produces water during burning. The English name comes from the Greek 'water producer'.

And 'oxygen'? Again the name has a basis in Greek: 'oxygen' means 'bitterness producer'. An everyday example: when we take the ethanol molecule, which we find in wine, and attack it with atmospheric oxygen, we produce acetic acid, the ingredient which gives vinegar its bitter taste.

Carbon is unique among the elements. Why? One reason is that in one form (diamond) it's the hardest known naturally occurring substance. In diamond the carbon atoms are arranged in a matrix, with the same tetrahedral geometry as the methane molecule. Despite its hardness, diamond will burn in air when it's heated to 900 degrees C, which produces carbon dioxide.

The other reason for the uniqueness of carbon is that it's the only element that can form long chains. In alcohol there are two carbons joined together, as shown here. In benzene, which is a component of gasoline (petrol), there are six carbons joined in a ring. The chain-forming ability of carbon is supremely important. Most of the carbon-based molecules in your body are made of chains or rings of carbon atoms with other atoms attached. Some of these molecules contain hundreds or even thousands of atoms. In other words, without carbon chains there would be no life, and you would not exist.

APPENDIX

v6 2020

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